基于建筑材料抗冲击性能装置研究

高建坤

摘  要：随着经济和各行各业的快速发展，建筑材料气瓶具有比重小、抗疲劳性好、安全性高等优点，在航空飞行器、车载高压气瓶、石油化工等众多领域发挥着重要的作用。与传统金属材料气瓶相比，建筑材料多层结构为气瓶的设计增加了更多想象的空间，依照不同的设计要求以及使用条件，通过不同的铺层设计、组分材料匹配及界面控制，可以最大限度的发挥建筑材料的优点，满足不同场合下的使用需求。在建筑材料气瓶的结构设计方面，多数生产厂家以提出的强度设计方法或者网格理论为基础来确定螺旋缠绕和环向缠绕层数。然而，当螺旋缠绕层数和环向缠绕层数确定后，各层如何铺设，不同铺层顺序是否会造成过大的差异等，这一领域尚缺乏有说服力的探讨。

关键词：建筑材料;抗冲击;性能;装置;能量损耗

引言

建筑材料因具有良好的综合力学性能，被广泛用于工业民用、建筑桥梁、军事等结构中。综述了四类建筑材料层合结构的抗冲击性能，包括纤维增强建筑材料、混杂纤维增强建筑材料、仿生建筑材料和功能梯度建筑材料。总结了国内外建筑材料层合结构抗冲击性能的研究现状，分析四类常见建筑材料层合结构的抗冲击特性。结合建筑材料层合结构抗冲击性能的研究进展，对未来建筑材料层合结构在抗冲击方面的应用进行了展望。

1概述

目前，抗冲击性能是建筑材料性能中一个检测方向。在实际的试验操作以及现场检测过程中，抗冲击性能的检测装置常用的分为基本的3种，它们分别是：落锤冲击试验装置、SHPB试验装置、静力荷载试验装置等。而冲击类型又可以分为：简支梁冲击、悬臂梁冲击和落球冲击，简支梁和悬臂梁主要是用来判断材质本身的冲击性能方面的优劣，没有实质的联系，不同的地方在于悬臂梁的冲击程度好一点，简支梁检测不了的材料通常都会选用悬臂梁;而落锤冲击则是针对材料本身的抗冲击性能，这与材料的多种因素有关。在试验过程中，抗冲击性能装置在搬运过程中无良好发力点、摩檫力不足导致无法夹紧，使得试验数据偏差较大，对试验结果存在影响、检测效率有待提高。本项目旨在从改变建筑材料抗冲击性能装置的夹紧组件入手，加入轮盘扶手、设置支柱、设置贯穿式圆形孔洞、放置呈对称式夹紧块。从一定程度上解决上述问题。

2建筑材料抗冲击性能装置研究

2.1建筑材料抗冲击性能机理研究

通过分析建筑材料的介电谱图以及弹体侵彻聚脲弹性体喷涂钢板的试验结果发现，聚脲弹性体抗冲击的主要机理是从高弹态转变至玻璃态的相变过程，研究指出能量吸收的程度与试验温度和玻璃化转变温度密切相关。采用数值模拟的方法，基于上述能量吸收的机理验证了高弹态向玻璃态转变机制是由应变率引起的。结果表明，当应变率较低时，建筑材料表现出高弹态;当应变率与建筑材料分子链震动频率相同时，将进入高弹态向玻璃态转变的过程，并且在此期间建筑材料会吸收大量的能量;当应变率继续增加，建筑材料完全转变成玻璃态。建筑材料的力学性能在爆炸荷载条件下与试验温度和玻璃化转变温度的温差密切相关，当温差较小时（试验温度仍高于玻璃化转变温度），在相变过程中建筑材料表现为玻璃态;当温差较大时，建筑材料表现出普通弹性体的高延展性和韧性，即高弹态。可以看出，在爆炸荷载下建筑材料的力学性能与本身的化学组成、微观结构和试验温度密切相关。也有研究者指出建筑材料能提高抗冲击性能和能量吸收的潜在机理在于冲击波阻抗不匹配、冲击波弥散、破坏模式的转变以及应变移位等。

2.2夹紧组件设计原理

（1）轮盘扶手总共设置有3个，扶手之间的角度都按照60°角设置，轮盘扶手呈圆柱状与轮盘之间是焊接设置，防止在操作该抗冲击性能装置的夹紧组件时无法完全的夹紧。（2）支柱共设置有两个，且呈左右对称式焊接设置在底座的底部，第一凹槽呈内凹设置在支柱的内部，防止该抗冲击性能装置的夹紧组件在搬运时没有良好的发力点，造成不便。（3）支座整体呈梯形，且其内部设置有贯穿式圆形孔洞，该孔洞的直径大于内凹螺纹，使该抗冲击性能装置的夹紧组件夹得更紧。（4）夹紧块呈左右对称式设置，该夹紧块夹紧表面设置有摩擦橡胶垫并通过热熔胶胶结连接，防止在夹紧抗冲击性能装置时摩擦力不足导致无法夹紧的情况。

2.3混杂纤维增强建筑材料（HFRP）

为了解由玻璃纤维和碳纤维组成的混杂建筑材料在冲击作用下的性能，研究了五类不同堆叠顺序的混杂层合板。实验研究表明：当玻璃纤维在中间层而碳纤维在上下层时，冲击后的压缩性能最高;反之，混杂建筑材料的冲击持续时间最长。为改善碳纤维夹层建筑材料的抗冲击性能，碳纤维与芳纶纤维或混杂纤维夹层建筑材料的低速冲击性能。与四层碳纤维增强建筑材料相比，使用一层芳纶和三层碳纤维样品的平均吸收能量高12.5%（35J～45J），平均最大力高11.9%。碳/玻璃/环氧树脂四类不同组合的九层混杂层合板对低速冲击载荷的响应。研究结果表明，与碳/环氧建筑材料相比，混杂建筑材料拥有更好的抗冲击性能。在建筑材料结构的顶部和底部表面有编织碳层和玻璃层，层压材料内部有单向碳层，将在提高抗损伤性和耐受性的同时提供最佳的面内性能。平纹混杂玻璃-石墨纤维/增韧环氧树脂层合板的渐进破坏行为。研究发现：在所测试的四个铺层顺序中，玻璃复合板的冲击强度最高。玻璃/石墨/玻璃优于石墨/玻璃/石墨混杂复合板的性能，且均优于石墨复合板，但不及玻璃复合板。

3试验结果分析

（1）有无夹紧组件的不同配合比、养护时间的混凝土试验试件裂缝情况对比①不同配合比下的混凝土，有无夹紧组件的混凝土在裂缝数量、长度上差别不大，落锤试验装置是否加有夹紧组件，对混凝土裂缝数量和长度影响不大。②不同养护时间的混凝土，有无夹紧组件的混凝土在裂缝数量、长度上，28d的养护时间裂缝数量少、长度长，而4d和14d的差别不大。（2）有无夹紧组件的不同配合比、养护时间的混凝土试验试件冲击次数对比①不同配合比下的混凝土，C35和C40混凝土在有无夹紧组件落锤冲击装置上的初裂冲击次数和终裂次数都减低了，从数据上显示，对于初裂、终裂次数，强度大的混凝土会比强度小的多;而且从能量损耗上，可以看出有夹紧组件的落锤冲击装置可以减少能量损耗，能量损耗减少主要体现在摩擦力影响变小。②不同养护时间的混凝土，混凝土有无夹紧组件的装置试验下，28d养护的混凝土会比14d、7d的混凝土初裂、终裂次数多，说明养护试件对混凝土的抗冲击性能有影响。

结语

建筑材料抗冲击性能的研究进展，搭建两个平台之间的信息传递桥梁，实现了建筑材料气瓶铺层顺序的优化设计。以铝内胆建筑材料气瓶为例进行分析，可得到以下结论：（1）建立建筑材料气瓶冲击损伤分析模型，采用Hashin强度准则和Camanho参数退化方案实现建筑材料缠绕层损伤破坏过程模拟。结果表明：冲击损伤集中分布在冲击位置局部范围内，损伤最严重的是缠绕层的外侧，其次是与内胆接触的内侧，中间层受损最轻。（2）采用全尺寸建筑材料气瓶进行水压爆破试验，试验测量剩余爆破压力值与数值计算结果相差0.7%，验证了本文剩余爆破压力计算方法的准确性。（3）采用本文所建立的优化方法对建筑材料气瓶铺层进行优化，对比优化前后建筑材料气瓶抗冲击性能的变化，可以看出：同一沖击能量下，优化后气瓶基体破裂面积和基体破裂层数均大幅减小。

参考文献

[1] 刘聚磊.纤维对混凝土韧性与抗弯冲击性能的影响[D].大连理工大学，2012.